JP2008283781A - 直流電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＲＦ送信装置の送信パルス幅が大きく変化し、２つの電源回路を直列に接続して構成されたレーダシステム用の直流電源装置において、送信パルス幅が大きく変化しても常に後段の電源回路における発熱量が最小となるよう前段の電源回路を制御することができる直流電源装置を得る。
【解決手段】２つの電源回路から構成された直流電源装置において、送信信号より送信パルス幅を読み取るカウンタ回路１４と、送信パルス幅信号をもとに後段の電源回路における発熱量が最小となるよう前段の出力電圧を最適化する基準電圧発生回路１５とを設置することで、直流電源装置全体の発熱量を最小に抑えるものである。
【選択図】図１

Description

この発明は、前段の電源回路であるスイッチングコンバータと後段の電源回路であるシリーズレギュレータとの２つの電源回路を直列に接続してレーダ装置等のＲＦ送信装置に電力を供給するレーダシステム用の直流電源装置に関するものである。

従来、この種の直流電源装置として、出力電圧の低電圧領域での直線性を良好なものとし、電力損失が少なく、簡易な回路で少ない部品点数によって構成された直流電源装置がある。この直流電源装置は、直流電圧を供給するスイッチング電源と、スイッチング電源からの直流電圧の電圧値を制御して出力するシリーズレギュレータと、シリーズレギュレータの両端電圧を検出する電圧検出部とから構成され、電圧検出部の出力のスイッチング電源へのフィードバックにより、シリーズレギュレータの両端電圧を一定とするよう制御する（例えば、特許文献１参照）。

現在、広く使用されている送信波と受信波の周波数の変化を測定するドップラー方式のレーダシステムにおいては、半導体によるＲＦ送信装置が利用され、送信時における電源電圧の変動が送信電力や送信波形の位相に大きな影響を与えてしまうため、電源電圧の安定度が極めて重要であることは周知の事実である。

そのため、直流電源装置の出力やＲＦ送信装置の入力に膨大なコンデンサを設置したり、電源回路を２台直列に接続して、前段の電源回路に効率のよいスイッチングコンバータ、後段の電源回路に応答速度の速いシリーズレギュレータを用い、そのシリーズレギュレータをＲＦ送信装置の直前に置くことで電圧変動やリップル電圧を極めて小さくできるように直流電源装置を構成することが一般的になりつつある。

すなわち、このような直流電源装置は、入力フィルターにより、一次電源からのノイズを低減するとともにスイッチング素子によってパルス状に流れる電流を平滑し、スイッチング素子がＯＮまたはＯＦＦすることでトランスに矩形波状の電流を流し、トランスの出力側にその巻線比にあった電圧と電流を伝送している。その矩形波はダイオードによって整流され、コイルとコンデンサによって平滑することで直流電圧出力を得ている。

また、エラーアンプがスイッチングコンバータの出力電圧を決めるための基準電圧の出力電圧と前記コンデンサの両端電圧とを比較し、その差電圧を増幅して電圧制御回路に差電圧信号を送信する。電圧制御回路は、その差電圧信号がゼロとなるように前記スイッチング素子のＯＮとＯＦＦの比を可変することで、前記コンデンサの両端電圧が基準電圧によって決められた所定の電圧になるように制御している。

特開平６−２２２８４７号公報

しかしながら、上述したスイッチングコンバータは、常に一定の電圧を出力しているが、スイッチングコンバータとシリーズレギュレータとの間にあるライン抵抗とスイッチングコンバータの応答速度の遅れにより、ＲＦ送信装置が送信または受信を繰り返すと、シリーズレギュレータの入力電圧は大きく変動することになる。そのため、ＲＦ送信装置の入力電圧を所定の電圧値にしつつ安定化させるためには、スイッチングコンバータの出力に大きなコンデンサバンクを設置するとともに出力電圧が変動分の最大電圧とシリーズレギュレータの最低オン電圧分を嵩上げした値以上でなければならなかった。

そのため、例えば送信パルス幅が狭くなった場合、シリーズレギュレータの入力電圧は最大電圧変動分だけ嵩上げされているため、シリーズレギュレータでクランプする電圧が非常に大きくなってしまうことになる。その結果、シリーズレギュレータの発熱量が大きくなってしまうとともに、スイッチングコンバータの出力電圧も必要以上に高くする必要があったため、直流電源装置全体の体積が大型化してしまい、さらに装置全体を冷却するための冷却装置もまた大型化してしまうという課題があった。

この発明は上述した点に鑑みてなされたもので、２つの電源回路を直列に接続してレーダ装置等のＲＦ送信装置に電力を供給し、送信時の電力や位相を可能な限り安定させるために極めて安定度の高い電圧を供給できるよう構成された直流電源装置において、後段の電源回路の発熱量を極めて小さくし、システム全体を小型・高効率化することができる直流電源装置を得ることを課題とする。

この発明に係る直流電源装置は、前段の電源回路であるスイッチングコンバータと後段の電源回路であるシリーズレギュレータとの２つの電源回路を直列に接続してＲＦ送信装置に出力電圧を供給するレーダシステム用の直流電源装置において、前記ＲＦ送信装置に送られる送信信号より送信パルス幅を測定するカウンタ回路と、前記カウンタ回路からの送信パルス幅信号に基づいて前記シリーズレギュレータの発熱量が最小となるよう前記スイッチングコンバータの出力電圧を可変するための基準電圧を発生する基準電圧発生回路とを備えたことを特徴とする。

また、他の発明に係る直流電源装置は、前段の電源回路であるスイッチングコンバータと後段の電源回路であるシリーズレギュレータとの２つの電源回路を直列に接続してＲＦ送信装置に出力電圧を供給するレーダシステム用の直流電源装置において、前記シリーズレギュレータの入力電圧に基づいて変動する電圧の最小値を測定する最低電圧検出回路と、前記最低電圧検出回路からの電圧信号に基づいて前記シリーズレギュレータの発熱量が最小となるよう前記スイッチングコンバータの出力電圧を可変するための基準電圧を発生する基準電圧発生回路とを備えたことを特徴とする。

この発明によれば、ＲＦ送信装置の送信パルス幅が大きく変化し、２つの電源回路を直列に接続して構成されたレーダシステム用の直流電源装置において、送信パルス幅が大きく変化しても常に後段の電源回路における発熱量が最小となるよう前段の電源回路を制御することができる。

実施の形態１．
以下、図面を用いてこの発明の実施の形態１に係る直流電源装置について説明する。図１は、この発明の実施の形態１による直流電源装置の構成を示す回路図である。図１に示す直流電源装置は、入力フィルター１により一次電源からのノイズを低減するとともに前段の効率の良い電源回路として用いられるスイッチング素子２によってパルス状に流れる電流を平滑し、スイッチング素子２がＯＮまたはＯＦＦすることでトランス３に矩形波状の電流を流し、トランス３の出力側にその巻線比にあった電圧と電流を伝送している。その矩形波はダイオード４によって整流され、コイル５とコンデンサ６によって平滑することで直流電圧出力を得ている。

また、エラーアンプ８が後述する基準電圧発生回路１５からの基準電圧の出力電圧とコンデンサ６の両端電圧とを比較し、その差電圧を増幅して電圧制御回路９に差電圧信号を送信する。電圧制御回路９は、その差電圧信号がゼロとなるようにスイッチング素子２のＯＮとＯＦＦの比を可変することでＰＷＭ制御して、コンデンサ６の両端電圧が基準電圧によって決められた所定の電圧になるように制御している。

このようにして、スイッチングコンバータは常に一定の電圧を出力し、ライン抵抗１１及び後段の応答速度の速い電源回路として用いられるシリーズレギュレータ１２を介してＲＦ送信装置１３に入力されるが、シリーズレギュレータ１２をＲＦ送信装置１３の直前に置くことで、電圧変動やリップル電圧を極めて小さくしている。

また、図１に示す直流電源装置は、カウンタ回路１４及び基準電圧発生回路１５をさらに備え、カウンタ回路１４は、送信信号より送信パルスの幅（時間）を測定し、基準電圧発生回路１５は、カウンタ回路１４からの送信パルス幅信号を受け、送信パルス幅からシリーズレギュレータ１２の入力電圧の変動値を計算し、シリーズレギュレータ１２でクランプする電圧が最小となるようスイッチングコンバータ１０の出力電圧を可変する基準電圧信号を発生させる。

エラーアンプ８は、基準電圧発生回路１５とスイッチングコンバータ１０との出力電圧を比較し、その差電圧を増幅して電圧制御回路９に差電圧信号を送信する。電圧制御回路９は、差電圧信号がゼロとなるようにスイッチング素子２のＯＮとＯＦＦの比を制御するものである。その動作によって、スイッチングコンバータ１０の出力電圧は、基準電圧発生回路１５の基準電圧信号と同じ電圧となり、シリーズレギュレータ１２でクランプする電圧が最小となる出力電圧に制御されることになる。

以下、動作の詳細について数式を用いて説明する。今、シリーズレギュレータ１２の入力電圧をＶｉとしたとき、スイッチングコンバータ１０の出力電圧をＶｏ、ライン抵抗１１の抵抗値をＲ、コンデンサ７の容量をＣ、ＲＦ送信装置１３の送信時における電流値をＩ、送信パルス幅をＴｘｏｎとすると、シリーズレギュレータ１２内のコンデンサ容量がコンデンサ７の容量よりも十分小さい場合、シリーズレギュレータ１２の入力電圧Ｖｉは、下式（１）で示すことができる。

前記式に示したライン抵抗１１の抵抗値Ｒとコンデンサ７の容量Ｃは一定であり、さらに、ＲＦ送信装置１３が送信時に流す電流値Ｉも常に一定である。また、シリーズレギュレータ１２の入力電圧Ｖｉは、シリーズレギュレータ１２の必要最低オン電圧をＶｒｍｉｎ、出力電圧をＶｔｘとしたとき、出力電圧Ｖｔｘを一定に保持するためには、下式（２）で示す値でなくてはならない。

ここで、シリーズレギュレータ１２の発熱量は、シリーズレギュレータ１２の入力電圧Ｖｉと出力電圧Ｖｔｘの電位差に、送信時の電流値Ｉを掛けた値で表すことができる。よって、式（２）に示す入力電圧Ｖｉがもっとも小さくて済む条件となる右辺と左辺が等しくなったとき、シリーズレギュレータ１２の発熱量がもっとも小さくなると言える。そこで、式（２）に式（１）をあてはめて、シリーズレギュレータ１２の発熱量が最小となる条件をスイッチングコンバータ１０の出力電圧Ｖｏを用いて表すと、式（３）で示すことができる。

式（３）に示したシリーズレギュレータ１２の必要最低オン電圧Ｖｒｍｉｎは、ＲＦ送信装置１１の送信時における電流値Ｉが一定である場合は常に一定であり、出力電圧Ｖｔｘも一定であることから、シリーズレギュレータ１２の発熱量が最小となるためのスイッチングコンバータ１０の出力電圧Ｖｏは、送信パルス幅Ｔｘｏｎの関数のみで表すことが出来ることが分かる。

よって、基準電圧発生回路１５がカウンタ回路１４から送られてくる送信パルス幅Ｔｘｏｎの信号より、スイッチングコンバータ１０の出力電圧Ｖｏが式（３）に示した値となるよう基準電圧を制御することで、エラーアンプ８と電圧制御回路９によってスチッチング素子２のＯＮとＯＦＦの比が制御され、常にシリーズレギュレータ１２の発熱量が最小となるようスイッチングコンバータ１０の出力電圧Ｖｏが制御されることになる。

図２（ａ）に基準電圧発生回路１５が出力する基準電圧信号を示し、図２（ｂ）にその基準電圧信号に追従してスイッチングコンバータ１０の出力電圧Ｖｏが変化した場合のシリーズレギュレータ１２の入力電圧波形を示す。その結果、ＲＦ送信装置１３の送信パルス幅が大きく変化したとしても、シリーズレギュレータ１２の発熱量は常に最小に留められ、無理にコンデンサ６の容量を大きくすることもなく、シリーズレギュレータ１２の回路を含む直流電源装置全体を小型化することができるとともに冷却装置も小型化することが可能となる。

実施の形態２．
図３は、この発明の実施の形態２による直流電源装置の構成を示す回路図である。図３において、図１と同一部分は同一符号を付してその説明は省略する。図３に示す実施の形態２においては、図１に示す実施の形態１におけるカウンタ回路１４の代わりに、最低電圧検出回路１６を設けている。この最低電圧検出回路１６は、シリーズレギュレータ１２の入力電圧を送信信号が送信中の間定期的に測定し、最も低かった電圧を検出する回路である。基準電圧発生回路１５は、最低電圧検出回路１６からの信号を受け最低電圧がシリーズレギュレータ１２の出力電圧を保持できる値となるよう基準電圧信号を可変する。

図２（ｃ）に実施の形態２における各部の動作波形を示す。図３に示す最低電圧検出回路１６は、送信信号が送信中の間常に一定間隔でシリーズレギュレータ１２の入力電圧を測定し、測定した電圧が前に測定した電圧よりも低かった場合のみ低い電圧値を記憶して、送信時間が終わった時点でその最小電圧値を基準電圧発生回路１５に出力するものである。送信信号が受信状態になると検出された電圧値はリセットされ、次に送信状態となったときにはまた新たにシリーズレギュレータ１２の入力最小電圧値を測定するものである。

基準電圧発生回路１５は、入力最小電圧値Ｖｉが式（２）で表された条件を満たしているかどうかを確認し、最小電圧値が前の送信時よりも高くなった場合は基準電圧信号を低くし、最小電圧値が前の送信時よりも低くなった場合は基準電圧信号を高くすることで、常に入力最小電圧値Ｖｉが式（２）の条件を満たすよう基準電圧信号を可変する。そのため、スイッチングコンバータ１０の出力電圧Ｖｏがシリーズレギュレータ１２の発熱量を最小とするように制御される。

これにより、実施の形態１と同様にシリーズレギュレータ１２の発熱量は最小となり、その結果シリーズレギュレータ１２の回路を含む直流電源装置全体を小型化することができるとともに冷却装置も小型化することが可能となる。

この発明の実施の形態１による直流電源装置の構成を示す回路図である。 この発明の実施の形態１及び２の動作を説明するための波形図である。 この発明の実施の形態２による直流電源装置の構成を示す回路図である。

符号の説明

１ 入力フィルター、２ スイッチング素子、３ トランス、４ ダイオード、５ コイル、６ コンデンサ、７ 基準電圧、８ エラーアンプ、９ 電圧制御回路、１０ スイッチングコンバータ、１１ ライン抵抗、１２ シリーズレギュレータ、１３ ＲＦ送信装置、１４ カウンタ回路、１５ 基準電圧発生回路、１６ 最低電圧検出回路。

Claims (2)

1. 前段の電源回路であるスイッチングコンバータと後段の電源回路であるシリーズレギュレータとの２つの電源回路を直列に接続してＲＦ送信装置に出力電圧を供給するレーダシステム用の直流電源装置において、
   前記ＲＦ送信装置に送られる送信信号より送信パルス幅を測定するカウンタ回路と、
   前記カウンタ回路からの送信パルス幅信号に基づいて前記シリーズレギュレータの発熱量が最小となるよう前記スイッチングコンバータの出力電圧を可変するための基準電圧を発生する基準電圧発生回路と
   を備えたことを特徴とする直流電源装置。
2. 前段の電源回路であるスイッチングコンバータと後段の電源回路であるシリーズレギュレータとの２つの電源回路を直列に接続してＲＦ送信装置に出力電圧を供給するレーダシステム用の直流電源装置において、
   前記シリーズレギュレータの入力電圧に基づいて変動する電圧の最小値を測定する最低電圧検出回路と、
   前記最低電圧検出回路からの電圧信号に基づいて前記シリーズレギュレータの発熱量が最小となるよう前記スイッチングコンバータの出力電圧を可変するための基準電圧を発生する基準電圧発生回路と
   を備えたことを特徴とする直流電源装置。

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